热力管道设计中的应力分析

热力管道设计中的应力分析本文对热力管道应力分析的重要性进行了简要阐述，并在此基础上，提出了热力管道应力分析的一般模式以及对管道应力分析中可能遇到的问题进行了归纳，并对解决这些问题的方法进行了相关讨论。

标签：热力管道;应力分析;荷载1 引言随着火力发电机组容量的增大，主蒸汽管道、再热蒸汽管道、主给水管道等热力管道的设计参数不断提高，管径及壁厚也随之加大，管道应力分析也受到越来越多的重视，有些投资方对设计单位的应力计算提出明确要求。

热力管道的应力，主要是由管道承受的内压、外部荷载、偶然荷载以及热膨胀等因素引起的，管道在这些荷载作用下的应力状态十分复杂。

进行应力分析与计算，是研究管道在各种荷载作用下产生的力、力矩和应力，从而判断管道的安全性，进而满足所连接的设备对管道推力（矩）的限定，同时使管道设计尽可能经济合理。

管道应力分析是热力发电厂管道工程设计的基础，对整个工程而言，通过应力分析可以优化配管、合理布置管道支吊架，以使弹簧、补偿器等管道配件方面的投资及土建投资更加合理化。

2 管道应力分析一般而言，热力管道管系多为三维空间走向，由一条或多条主管及数条支管组成，有些管系甚至会含有一个或多个环行结构。

在进行应力分析之前需根据管道走向建立管道应力分析的三维立体图，从而确定应力分析的结构参数。

2.1管系荷载的确定管系所承受的荷载大致可以分为四类：（1）压力及温度荷载：热力管道可能在几种不同的压力和温度条件下运行，在计算时应根据实际情况确定最不利的一组压力和温度条件，以便计算管道在最危险工况下的能否满足条件。

（2）持续外载：包括管道基本载荷（管子及其附件的重量、管内介质重量、管外保温的重量等）、支吊架的反力、以及其它集中和均布的持续外载。

（3）热胀及端点附加位移：管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质的温度变化，热胀冷缩使管道发生形变;与设备相连接的管道，由于设备的温度变化而出现端点附加位移，从而对管道产生约束，使管道发生形变。

管道应力及热力管道培训讲义主要讲以下几项主要内容：应力的概念、应力分析的目的、应力分析的方法、柔性设计、热伸长的计算、补偿方法、常用的补偿器、常用支架的种类、常用管托的种类、推力计算一、管道机械（管道应力）1．应力材料单位面积上受到的力。

2．一次应力由于外载（包括内压、管道自重、保温材料、雪荷载）的作用所产生的应力。

特点：随外加荷载的增加而增加，且无自限性，当其值超过材料的屈服极限时，管道将产生塑性变形而破坏，(一般情况下一次应力超标是由于缺少管架或管架布置不当引起)。

3．二次应力（温度应力、热应力）是由于管道温度升高、管道变形受到约束而产生的应力，称为二次应力。

它由管道热胀冷缩、端点位移等引起。

（假如管道一端固定，另一端自由则不产生应力）。

二次应力的特点是：具有自限性，当管道局部变形或产生小量变形时，就能降低下来。

二次应力过大时，将使管道产生疲劳破坏。

二次应力产生的破坏，是管系在冷热状态下的反复交变应力作用下出现反复塑性变形，并因塑性应变的反复累计而引起疲劳破坏。

因此，对二次应力的限定采用许用应力范围植和限定交变循环次数加以控制。

管道应力分析分为静力分析和动力分析静力分析包括：①压力荷载和持续外载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏。

②管道热胀冷缩以及端点附加位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏。

③管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行。

④管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据。

⑤管道上法兰的受力计算——防止法兰泄漏。

⑥管道位移计算——防止管道碰撞和支吊点位移过大，或管道掉至支架下面。

动力分析包括：①管道自振频率分析——防止管道系统共振。

②管道强迫振动分析——控制管道振动及应力。

③往复式压缩机气柱频率分析——防止气柱共振。

④往复式压缩机压力脉动分析——控制压力脉动值。

二、应力分析的方法，常用的有三种1、目测法：目测人具有相当的水平和工程经验。

2、公式法：（图表法）常用的手册有“简明动力管道手册”“热力管道”“化工管路设计手册” 等3．计算机计算法：目前国际通用的管道应力分析软件为美国COADE公司编制CAESAII。

管道设计中的应力分析和处理技巧刘进辉摘要从管道应力产生的原理和处理方法出发，明确的阐述了应力处理的原则。

分步叙述了管道的补偿、管道柔性分析方法的选择，图解简化计算、判断式、计算机分析中的一些技巧和方法。

主题词应力补偿管道上的应力一般分为一次应力、二次应力和峰值应力。

一次应力是指由管道所受外力荷载引起的正应力和剪应力。

二次应力是由于管道变形受约束所产生的正应力和剪应力。

峰值应力是管件的局部结构不连续，有应力集中，或有局部热应力，附加到一次应力和二次应力的总合。

一次应力和峰值应力在确定的管道和管道环境中是不会变化的，这里我想主要谈谈管道的二次应力。

由定义可知，二次应力是由于管道变形受阻而产生的，它不直接与外力相平衡，而是由管道各部分变形来适应的。

在热胀推力的作用下，管道局部屈服而产生少量塑性变形时，就会使推力不在增加，塑性变形不在发展，即有自限性。

对于塑性良好的材料，一次伸缩即使产生较大的变形也不会破坏。

只有塑性变形在多次交变的情况下，才会引起管道的疲劳破坏。

当热力管道启动时，热力由内壁向外壁传递，内外壁管道有温差，管道温度不均匀，而产生温度应力，一般计算中不考虑。

不同材料的管道和管件焊接时，由于膨胀系数和弹性模量不同，当温度升高时，相连处存在热应力。

此应力也属二次应力。

一、管道的补偿在诸多因素中，温度的变化对管道应力的影响最大，而温度升高，又会降低管道的许用应力，只有当管道在工作状态下的应力小于许用应力，管道才是安全的。

那么我们怎样才能解决管道由于各种界环境变化而形变带来的二次应力呢？简单的说就是“膨胀多少，补偿多少”！。

管道在热胀或冷紧时不受阻，或在安全应力内受阻是我们补偿的最终目的。

首先我们来明确几个重要参数：右图是一“L”型管道，A、B分别为管道的两个固定点，L1+L2=L是管道的长度，U是两个固定点间的距离，Δ是管道的膨胀量。

这里需要对Δ详细说明一下，它是管道的线性膨胀量和管道位移的矢量加和。

热力管道设计中的应力分析摘要：在对热力管道的工程方案设计中，进行分析时要充分考虑管线中的应力变化，在对应力分析的过程中对可能存在的问题加以总结，最后给出了有关在热力管线工程设计中相应的处理对策，并对具体的对策进行了讨论与剖析。

关键词：热力管线；应力分析；压力引言热力管线工程设计中，主要的应力范围包括管线的内部和外面以及由于压力变化所导致的膨胀等，因此在热力管线工程设计中应力是相对地较为繁琐繁杂的，而在对应力分析进行参数测算时也需要充分考虑管线所遭受的不同外界环境产生的应力的影响，及其对热力管线的正常使用所产生的限定影响。

1管道应力分析在热管设计中，一般都会有很多分支结构，有些分支结构是由很多环形结构构成的，一般都是按照三维方向来设计的，所以在热管的应力分析中，首先要考虑到热管内部的走向，然后再根据三维设计来计算。

1.1管系荷载的确定管系所承担的荷载一般可分成四种：（1）第一类的热力管线工程设计中管网本身所承担的荷载与工作温度，热力管线在工作中所承担的压力与工作温度荷载是不同的，通过热力管线的参数测算后确定最不利的一组加以处理，避免以后由于上述问题妨碍了热力管线的正常工作[1]。

（2）第二类是管系的承载力，它的内容包括：管内承受的基本载荷，管自身的自重，管中的外力和内力，以及其它的载荷。

（3）第三类是管线内的温度应力膨胀和端点位置变化，热管线在架设和运营过程中受到管道的高温变化，从而使管线内热胀冷缩变化，由于在热力管线内受到高温荷载的状态下，管线边界和设备终端会因为高温的改变而产生偏移，所以需要对热力管线端点位置变化加以控制。

（4）第四类情况就是热管线设计中要避免产生偶然性负荷，当然还有由于气候因素，地质条件等各种因素的共同影响而对管线所形成的冲击力，但是这种负荷的产生一般都是偶然性的，而且概率也不会很大，所以一般情况下以上的这些问题都不会因为同时存在而对热力管线产生危害。

1.2荷载工况在计算热力管道的参数时，既要考虑到设备的安装和工作状况，又要在管道的安装中首先要考虑到在常温下进行。

应力分析在管道设计过程中的优化及指导摘要：电力建设是我国整体经济建设中非常重要的组成部分，一直以来发挥着非常重要的作用，随着超超临界技术的发展，设计过程中往往存在着极端的温度及压力变化，用于输送这些介质的管道通常为压力管道。

压力管道由于通常传输这类极端温度及压力的介质，其安全与否对机组运行的安全性尤为重要。

关键词：应力分析；管道设计过程；优化及指导引言我国整体经济建设的快速发展离不开各行业的支持，其中工业建设的贡献尤为突出。

管道应力分析是指通过科学计算对管道进行力学分析，以确保管道能够满足与其相连的设备的安全应用需求。

设计人员在管道设计过程中需要全面考虑管道应力状态，进而保证其能够满足安全运行需求，绝不能主观臆断，同时还应当注重设计的高效化与合理性。

1管道应力分析方法与范围管道应力分析前，需要编制相应的分析规定，明确分析重点。

了解把握管道应力分析轴测图和相关数据，应用CAESARII应力分析软件进行分析，构建模型，之后再分析其合理性，最终得出结果，科学调整管道模型，以保证应力校核评定过程顺利。

在此基础上，编制计算书，将计算结果提交给配管专业。

一般而言，与荷载敏感的转动设备或者与应力敏感的设备相连的管线、管道应当进行重点应力分析，其中与荷载敏感的转动设备相连的管线主要包括下述几种：(1)连接泵进出口的管线。

(2)连接往复泵、压缩机的管线。

(3)公称直径大于等于DN100的转动设备管道。

与应力敏感的设备相连的管道包括下述几种：(1)连接加热器的管道。

(2)连接主辅机设备的管道等。

2管道优化设计1.管道走向的优化，在进行管道的设计时，需要考虑诸方面因素，如管道尺寸的大小、位置的分配、走向优化、以及支架的位置及其形式。

对于一些极端工况下的管道如四大管道、LNG管道等，受制于配管经验，有时会考虑的不够周到合理，导致管道的应力超出许用应力范围。

对于这类问题，通过借助CAESARII对相关管道进行应力计算，即可对应力超标部分的管道进行调整和优化。

对供热管道直埋技术的分析供热管道直埋技术的使用必须要更加的慎重，按照供热管道的直埋技术的施工要点展开，结合供热管道所处的区域特点展开施工，提高施工的质量。

标签：供热管道；直埋技术；分析一、直埋供热管道的作用及应力特点温度和压力是热力管道上最主要的两种作用。

对于直埋管道，还有轴向位移产生的土壤轴向摩擦力和侧向位移产生的土壤侧向压缩反力。

另外，在管道局部结构不连续处会产生应力集中，对应的应力称为峰值应力。

峰值应力不会引起显著的变形.但循环变化的峰值应力，也会造成钢管内部结构的损伤，导致管道疲劳破坏。

管道在弯头、三通处产生的应力属于峰值应力。

由于土壤的均匀支撑，管道的自重没有产生自重弯曲应力，故一般忽略不计。

但是对于热网中常用的管道，其公称壁厚要远远大于该压力所需的设计壁厚，内压产生的实际应力也就远远小于管材的屈服应力。

相反，由于管道中热胀变形不能完全释放，使管道产生了较大的轴向压力和压应力，其中轴向压应力可能与屈服应力处于同一数量级上。

因此，在直埋敷设热力管道中，内压的影响较小，管道产生爆裂的可能性很小，而温度的影响则较大，管道强度设计中应主要考虑温度变化产生的循环塑性变形和疲劳破坏。

二、直埋敷设发展现状及其分类1、直埋敷设发展现状国内供热直埋管道的受力分析主要采用从国外引进的应力分析法。

应力分析法认为根据不同的应力作用形式，管道会发生不同形式的破坏，应采用不同的应力验算方法。

1976年北京市煤气热力设计院等五家单位合作在热力管道无补偿直埋敷设试验研究中采用应力分类法进行无补偿的理论研究和现场实测，证实了采用应力分类法理论计算结果的正确性﹕太原理工大学和太原热力公司用三年的时间完成了大直径管道摩擦系数的试验研究。

得出结论《城镇直埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81—98）（以下简称《规程》）给出的回填土摩擦系数的取值范围可以适用于大直径管道的直埋敷设管道受力设计计算中。

三通、弯头等薄弱部件处的保护措施以及预热方法等技术也在不断的更新。